考虑近场地震动的水利水电工程设定地震反应谱研究

张效亮+张郁山+吴昊

摘 要：场址设计地震动参数的合理确定是重大工程抗震安全分析的重要环节之一，当前概率性地震危险性分析得到的一致概率反应谱是一种包络反应谱，不能反映实际可能发生的强震频度特性。最新水工规范（NB35047-2015）要求采用设定地震方法确定设计反应谱，设定地震反应谱既考虑概率性地震危险性结果，又找出了明确的主干断裂与设定地震相对应，能够综合概率性和确定性地震危险性分析方法的优点。文章以某坝址为例计算了设定地震反应谱，并对比了点源衰减模型和断层源衰减模型对设定地震反应谱的影响。

关键词：设定地震反应谱；水利水电；概率性地震危险性分析

中图分类号：TU475 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0016-03

引言

对于重大工程而言，如何科学合理地进行抗震设防一直是设计部门非常关注的重大技术问题之一。目前地震危险性分析主要采用概率性地震危险性分析（PSHA），概率性方法考虑了场点若干年内超过某一地震动参数值的概率，提供具有概率含义的地震动参数，便于设计部门根据建筑物等级选用不同危险性水平的地震动参数。地震灾害都是由某一个具有明确物理特性参数（如震级、震中距等）的地震事件引起的，目前广泛采用的地震危险性概率分析方法并不能反映某一特定地震所产生的地震动特点。另外，概率性方法考虑的是场址周围所有潜在震源对场址地震危险性的综合影响，得到的一致概率反应谱是一种包络反应谱，不能反映场址实际可能发生的强震的频谱特性。

设定地震（Scenario Earthquake）的概念最早由Ishikawa和Kameda（1991）在第四届国际地震区划大会上首次提出的，设定地震下场址地震动参数的估计方法是近年来人们较为关注的研究课题，它主要涉及设定地震的确定和设定地震下的地震动参数估计。设定地震的确定方法可分为两类：一类是基于地震构造、断层状况及历史地震等确定设定地震；另一类是基于地震危险性概率分析结果确定设定地震（或称等效地震），它能综合考虑总体地震环境影响。高孟潭（1994）结合我国地震危险性分析的特色，推导出了潜在震源区震级和空间联合分布函数，并建立了确定设定地震期望震级和期望震中距的方法。陈厚群等（2005）、张翠然等（2010）和吴建（2013）从各个方面对设定地震方法进行了讨论研究。

国家能源局发布公告，由水电水利规划设计总院和中国水利水电科学研究院共同主编的能源行业标准《水电工程水工建筑物抗震设计规范》（NB35047-2015）（下称新规范）已于2015年9月1日起开始实施，替代《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073-2000）（下称原规范）。根据新规范要求，“对进行专门的场地地震安全性评价的抗震设防类别为甲类的工程，其设计反应谱应采用场地相关设计反应谱，其他工程的水平向和竖向设计反应谱应采用标准设计反应谱”，“最大可信地震的场地相关设计反应谱宜按与水平向设计地震动峰值加速度相应的设定地震确定”。

1 设定地震的确定原则和方法

针对概率性地震危险性分析得到的一致概率反应谱存在的问题和不足，陈厚群院士（陈厚群等，2005）倡导的设定地震方法是以地震危险性概率分析所确定的峰值加速度（PGA）为依据，选取对场址贡献最大的潜在震源并考虑构造因素确定设定地震。该方法能够综合反映概率方法和确定性方法的优点，所确定的设计地震动反应谱更易于为人们所接受，反应谱参数较为合理，能够满足实际工程抗震需求。设定地震的确定原则包括如下4个方面：（1）以地震危险性概率分析结果为前提；（2）设定地震应具有明确的物理意义；（3）设定地震应具有明确的构造位置；（4）设定地震应符合最大发生概率原则。确定设定地震反应谱的具体步骤如下：

（1）首先利用地震危险性概率分析方法，计算工程场址不确定性校正前后的地震动峰值加速度PGA，并寻找指定概率水平（比如水工建筑要求100年超越概率2%和100年超越概率1%）下贡献率较大的潜在震源区和对应的主干断裂。在目前的工程抗震设计实践中，在按设防概率水平确定设计地震动峰值加速度值后，设计反应谱一般都取其均值，不需要对衰减关系作不确定性修正。

（2）以不确定校正之前的地震动峰值加速度为约束，在符合条件的潜在震源区中遵循主干断裂相关原则和发生概率最大原则，确定设定地震的震级和距离。设定地震的确定应该具有明确的发震构造，从潜在震源区内主干断裂上寻找，一般可取沿主干断裂距重大工程场址最近处作为设定地震的最小距离，以潜在震源区震级上限作为最大设定地震的震级。根据GR关系，距离工程场址最近处的地震震级最小，相应的发震概率最大，可作为设定地震，不在使用数学期望值。如果潜在震源区中某个震级档的空间分布函数fl，Mj作用突出，则取调整后发震概率最大的震级，可以按照如下公式确定发震概率。

其中，P（MSE，RSE）为由设定地震产生的场址加速度反应谱值的年超越概率；v是潜在震源区年超越概率；fl，Mj為潜在震源区空间分布函数（第l个潜在震源区Mj震级档，注意Mj与Mi的区别）；M0为起始震级，通常活动较弱地区取4.0，地震活动较强地区取5.0；Mi为最大最小设定震级档按照M划分震级档的中值；β与GR关系的b值相关（β=b×ln10）；Li为第i档地震所对应的发震部位在潜在震源区主干断裂上所占的长度；LSE为设定地震所属的震级档对应的发震部位在潜在震源区主干断裂上所占的长度。

（3）根据设定地震的震级和距离，选用合适的衰减关系计算设定地震反应谱，并按照PGA归一化处理。张翠然等（2010）详细比较分析五套NGA衰减关系及其放大系数谱，将其与大震近场条件的实际基岩记录和我国现有衰减关系进行比较，建议选择Abrahamson团队衰减关系用于大震、近场和基岩条件下的重大水利水电工程场地地震动研究。

2 某坝址设定地震反应谱应用实例

2.1 概率性地震危险性分析

通过概率性地震危险性计算，得到某坝址100年超越概率2%和1%两种设防水准下的一致概率反应谱和不确定校正前后的地震动峰值加速度，100年超越概率2%的地震动峰值加速度为194gal（不确定校正前）和327gal（不确定性校正后），100年超越概率1%的地震动峰值加速度为205gal（不确定校正前）和393gal（不确定性校正后）。根据潜在震源区对坝址地震动峰值加速度贡献量可知，对坝址影响最大的是1号潜在震源区（震级上限Mmax=7.0）。该潜在震源区主干断裂（F1）为全新世活动断裂，逆冲性质，全长约100km，走向北东，倾向北西，倾角60°，坝址位于断层上盘，坝址距离F1断裂最近距离为6.39km，潜在震源区和主干断裂位置见图1。

2.2 确定设定地震的震级和距离

利用概率性地震危险性计算中采用的点源衰减关系（肖亮，2011）计算设定地震的震级和距离。首先，建立以坝址为原点，潜在震源区主走向为长轴方向的椭圆坐标系；然后，根据指定的地震动峰值加速度和震级，由衰减关系分别求得椭圆的半长轴Ra和半短轴Rb，如果地震动椭圆与潜在震源区内主干断裂相交，则相交点到坝址的距离就是设定地震的震中距。贡献最大的潜在震源区的震级上限Mmax=7.0，最小震级取Mmin=4.0，在最大和最小设定地震之间取震级间隔0.1，得到能够在场址产生指定地震动的设定地震震级和震中距的所有组合，并由公式（1）计算相应的发生概率（表1）。

由表可知，坝址100年超越概率2%对应的设定地震震级和震中距如下（MSE=7.0、RSE=28.63km），对应的地震动椭圆的半长短轴分别为Ra=33.33km，Rb=22.04km；100年超越概率1%对应的设定地震震级和震中距如下（MSE=7.0、RSE=27.22km），对应的地震动椭圆的半长短轴分别为Ra=31.81km，Rb=20.96km。

2.3 确定设定地震反应谱

分别使用点源衰减模型（肖亮，2011）和NGA断层源衰减关系的AS08模型（Abrahamson和Silva，2008）计算设定地震反应谱。由于AS08衰减模型需要的计算参数很多，本文采用张效亮等（2017）方法建立虚拟三维有限断层破裂面，将设定地震参数（震级MSE和震中距RSE）转换成NGA衰减关系可用的参数（表2）。其中，断层倾角δ、断层类型SOF、断层破裂面埋深ZTOR、上盘效应修正项FHW等参数，根据潜在震源内主干断裂活动性信息确定；断层破裂面宽度W根据震源破裂尺度经验关系式由震级M和断层类型SOF确定；地表30米平均剪切波速VS30取1100m/s；场点到断层各种距离（RJB、RRUP、RX）根据场点和虚拟三维震源断层的几何关系转换得到；震中在断层破裂面相对位置取hypX=hypY=0.5。上述参数可直接用于AS08地震动反应谱衰减关系计算，所得设定地震反應谱见图2。

由设定地震反应谱对比（图2）可知，在0.5s之前一致概率反应谱略高于水工规范标准谱，但是在0.5s之后一致概率反应谱略高于水工规范标准谱；设定地震反应谱低于一致概率反应谱；国内点源衰减模型得到的设定地震反应谱高于AS08断层源衰减模型。设定地震所获得的反应谱，经过适当归一化处理后，可分别用于100年超越概率2%和100年超越概率1%设防标准下的坝址抗震计算，或者以此反应谱为目标反应谱拟合地震动时程，为坝址动力计算提供参考。

3 结束语

根据最新水工规范（NB35047-2015）的要求，本文在陈厚群等（2005）基于地震动峰值加速度确定设定地震反应谱的研究基础上，建立了考虑大震近场地震动特性的设定地震反应谱模型，通过建立虚拟三维震源来确定NGA断层源模型所需的众多参数。设定地震能够综合反映概率方法和确定性方法的优点，将概率地震危险性分析结果与物理意义明确的具体地震联系起来，对于更合理地进行大坝等重大工程抗震设计具有参考价值。通过实例分析对比设定地震反应谱可知，设定地震反应谱反应谱低于一致概率反应谱，国内点源衰减模型得到的设定地震反应谱高于AS08断层源衰减模型得到的设定地震反应谱。

参考文献：

[1]陈厚群，李敏，石玉成.基于设定地震的重大工程场地设计反应谱的确定方法[J].水利学报，2005，36（12）：1399-1404.

[2]高孟潭.潜在震源区期望震级和期望距离及其计算方法[J].地震学报，1994，16（3）：346-351.

[3]吴健.设定地震确定方法研究[D].北京：中国地震局地球物理研究所，2013.

[4]肖亮.水平向基岩强地面运动参数衰减关系研究[D].北京：中国地震局地球物理研究所，2011.

[5]张翠然，陈厚群，李敏.NGA衰减关系应用于重大水电工程抗震设计的可行性探讨[J].水利水电技术，2011，41（3）：40-45.

[6]张效亮，张郁山，吴昊.地震动衰减关系中震中距和断层源距转换[J].地震工程与工程振动（审稿中），2017.

[7]国家能源局.水电工程水工建筑物抗震设计规范（NB35047-2015）[S].北京：中国电力出版社，2015.

[8]Abrahamson， N. A.， and Silva， W. J. Summary of the Abrahamson & Silva NGA ground-motion relations[J].Earthquake Spectra，2008，24（1）：67-97.

[9]Ishikawa Y and Kameda H. Probability based determination of specific scenario earthquake[C].See： Proc. 4th International Conference on Seismic Zonation，1991，2：3-10.